KR20080057690A - 이미지 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 반도체 기판의 액티브 영역에 포토다이오드 구조물 및 절연막 구조물을 포함하는 픽셀 어레이를 형성하는 단계; 상기 픽셀 어레이 상에 금속패드를 형성하는 단계; 상기 금속패드 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상으로 보호막을 형성하는 단계; 상기 보호막을 식각하여 패드 오픈부와 픽셀 오픈부를 형성하는 단계; 상기 절연막을 제거하는 단계를 포함하는 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
Description
도 1은 종래의 마이크로 렌즈를 도시한 단면도,
도 2는 포토다이오드 구조물을 도시한 단면도,
도 3은 포토다이오드 구조물에 포함된 화소들 중 하나를 도시한 평면도,
도 4 내지 도 8은 본 발명의 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 단면도,
도 9 내지 도 11은 본 발명의 이미지 센서의 감광도를 색상별로 나타내는 그래프이다.
본 발명은 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 감광도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD:charge coupled divice)는 개개의 MOS 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스(Complementary Mos) 이미지 센서는 제어회 로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀수 만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례대로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
전하결합소자는 구동방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝수가 많기 때문에 신호처리회로를 CCD 칩 내에 구현할 수 없는 등의 단점이 있는바, 최근 이러한 단점을 극복하기 위하여 서브마이크론 씨모스 제조기술을 이용한 씨모스 이미지 센서의 개발이 많이 연구되고 있다.
상기 씨모스 이미지 센서는 단위 픽셀 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, 상술한 바와 같이 전력소모가 작으며 마스크의 수도 상기 CCD 공정에 비하여 매우 단순하다. 이에 따라, 신호처리회로를 단일 칩 내에 집적할 수 있어 제품의 소형화를 통해 다양한 응용이 가능하다.
종래 이미지 센서의 일반적인 제조방법은 반도체 기판 상에 트랜지스터 및 트랜지스터들에 전기적으로 연결되는 포토 다이오드로 구성된 픽셀 어레이를 형성한다. 상기 픽셀 어레이 상에 절연막 구조물 및 배선을 형성한다. 배선을 형성하는 도중 트랜지스터들과 연결되는 패드도 함께 형성된다. 패드는 주로 도전성 와이어에 의하여 형성되며, 패드 및 도전성 와이어를 전기적으로 연결하기 위해 패드는 절연막 구조물로부터 노출된다.
이어서, 절연막 구조물 상에는 이미지 센서의 컬러이미지 구현을 위한 컬러필터 어레이가 형성되며, 상기 컬러필터 상부면에 평탄화층을 형성한다. 이후 평탄 화층의 상부면에 포토레지스트 필름을 도포하고 리플로우 공정을 진행하여 셀어레이로 집광된 광을 제공하는 마이크로렌즈를 형성한다.
상기 픽셀 어레이는 포토다이오드, 포토게이트와 같은 수광소자들로서 실리콘 기판에 단위화소로 형성되고, 그 밖에 이미지 센서를 구성하는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터 CMOS 소자가 형성된다. 이후 층간절연막(50)이 형성되고 그 위에 금속배선(31)이 형성된다. 상기 금속배선은 단층 또는 3층 배선으로 형성될 수 있다. 금속배선 상부에는 소자보호막이 형성되는데 상기 소자보호막은 일반적으로 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막 또는 질화막을 도포하여 형성된다. 이후, 소자보호막의 상부에 이미지 센서의 컬러이미지 구현을 위해 칼라감광막을 도포하고 현상공정에 의해 칼라필터가 형성된다. 또한, 상기 칼라필터 상부에는 이미지 센서의 감광도를 높이기 위해 감광지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부로 모아주도록 칼라필터에 상응하는 마이크로 렌즈가 형성된다.
그러나, 씨모스 이미지 센서의 디자인 룰이 점차 감소됨에 따라 단위 픽셀의 사이즈가 감소하고 있으며, 이로 인해 외부로부터 입사되는 광량이 감소되고 있어서 상기 포토다이오드에서 광을 감지하는 것이 매우 어려워지고 있다. 상기 포토다이오드에서의 감광도를 증가시키기 위해서, 외부의 입사광이 상기 포토다이오드까지 도달하는데까지의 경로가 감소되어야 한다. 따라서, 상기 광 경로를 감소시키기 위하여, 포토다이오드 상에 형성되는 배선 및 층간 절연막의 높이를 감소시킬 것이 요구되고 있다.
이에 최근에는 픽셀 어레이의 감광도를 증가시키기 위하여 소자 보호막(4)으로 사용되는 질화막 또는 산화막을 식각하는 어레이 식각 공정을 하여 그 상부에 칼라필터 어레이(5) 및 마이크로 렌즈(6)를 형성함으로써 이미지 센서의 감도를 향상시키고 있다.
상기 어레이 식각 공정은, 금속패턴 상에 보호막 형성하고, 어레이 패턴 형성한 후 어레이 영역 식각 및 제거공정 이후, 패드 오픈을 하는 공정으로 이루어져, 상기 어레이 식각의 추가공정을 진행해야하므로 시간 및 비용이 소요되는 문제가 있다.
또한, 식각공정 시에 발생하는 과도 식각문제로 인하여 식각공정 이후 형성되는 칼라필터 어레이(5) 및 마이크로 렌즈(6)가 변형(Deform)되는 문제점이 있다. 또한, 반도체 기판(1) 사이, 기판에서 에지부분과 중앙부분 간의 과도식각 차이로 인한 문제가 발생된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 패드 오픈과 동시에 칼라필터 및 마이크로 렌즈가 형성되는 픽셀 오픈부를 형성함으로써 공정을 단순화 시킬 수 있으며, 보호막 식각에 의해 형성되는 픽셀 오픈부에 컬러필터 및 마이크로 렌즈가 형성됨으로써 광 경로(Focal length)를 감소시켜 감광도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판의 액티브 영역에 포토다 이오드 구조물 및 절연막 구조물을 포함하는 픽셀 어레이를 형성하는 단계; 상기 픽셀 어레이 상에 금속패드를 형성하는 단계; 상기 금속패드 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상으로 보호막을 형성하는 단계; 상기 보호막을 식각하여 패드 오픈부와 픽셀 오픈부를 형성하는 단계; 상기 절연막을 제거하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 이미지 센서는, 반도체 기판 상에 형성된 픽셀 어레이; 상기 픽셀 어레이 상에 형성된 금속패드; 상기 금속패드 상에 형성된 보호막; 상기 보호막을 식각하여 형성된 패드 오픈부와 픽셀 오픈부를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 보다 명확히 전달하기 위함이다.
한편, 어떤 층이나 다른 층 또는 반도체 기판의 '상' 또는 '위'에 있다라고 기재되는 경우에 상기 어떤 층은 다른 층 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는 그 사이에 제3의 층이 개재되어 질 수도 있다. 또한 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 6은 본 발명에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 이미지 센서는 반도체 기판(10) 상에 포토다이오드 구조물(20) 및 절연막 구조물(30)로 이루어진 픽셀 어레이가 형성된다.
여기서 상기 포토다이오드 구조물(20)은 포토다이오드 및 모스 트랜지스터로 이루어진 화소가 복수개 형성된 구조이다.
또한, 상기 절연막 구조물(30)은 상기 포토다이오드 구조물(20)의 절연 및 배선을 위한 층간 절연막과 상기 층간 절연막을 관통하는 금속배선(31)으로 구성된다.
상기 절연막 구조물(30) 상에는 외부와의 전기적 연결을 위하여 금속패드(40)가 형성된다.
상기 절연막 구조물(30) 및 금속패드(40)의 상부에는 보호막(80)이 형성되어 있으며, 상기 금속패드(40)의 상부와 절연막 구조물(30)의 상부 보호막(80)은 선택적으로 식각되어 패드 오픈부(110)와 픽셀 오픈부(120)가 형성된다.
여기서 상기 보호막(80)은 USG막과 질화막이 적층된 구조이다.
상기 픽셀 오픈부(120)에 의해 노출된 절연막 구조물(30) 상에는 칼라필터 어레이(90) 및 마이크로 렌즈(100)가 형성된다.
따라서, 상기 보호막(80)과 절연막 구조물(30)의 단차 만큼 상기 칼라필터 어레이(90) 및 마이크로 렌즈(100)와 포토다이오드 구조물(20)의 거리가 좁아져 광경로 감소되어 포토다이오드로 입사되는 광량을 증가할 수 있게 된다.
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 평면도 및 단면도들이다.
도 2는 본 발명에 따른 포토다이오드 구조물(20)을 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 포토다이오드 구조물(20)에 포함된 화소들 중 하나를 도시한 평면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)의 액티브 영역에 복수의 포토다이오드 구조물(20) 및 절연막 구조물(30)을 포함하는 픽셀 어레이를 형성한다.
상기 포토다이오드 구조물(20)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 포토다이오드와 트랜지스터 구조물로 이루어져 실리콘 기판 위에 단위화소로 형성되며, 상기 화소는 포토다이오드(PD)와 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 셀렉트 트랜지스터(Rx) 및 억세스 트랜지스터(Ax)로 구성되어 광전하를 전기적 신호로 변환시켜 이미지를 출력하게 된다. 상기 포토다이오드 구조물(20)은 이러한 단위화소가 복수개로 이루어져 있는 구조이다.
상기 절연막 구조물(30)은 상기 포토다이오드 구조물(20) 상에 형성되어 상기 포토다이오드 구조물(20)을 포함한 기판 상의 절연을 위한 층간 절연막이 형성되고, 상기 화소를 구동하기 위하여 상기 층간 절연막을 관통하여 하부 금속배선(31)이 형성되어 있다. 이러한 절연막 구조물(30)은 도시하지는 않았지만 상기 포토다이오드 구조물(20) 상에 복수의 층으로 형성될 수 있고, 상기 층간 절연막은 통상적으로 FSG막과 TEOS 산화막이 적층된 구조로 형성된다.
그 다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 하부 금속배선(31)과 연결되어 외부의 구동회로와의 연결을 위한 금속패드(40)를 형성하기 위해 상기 절연막 구조물(30) 상에 금속층(미도시)을 형성한다. 그리고, 상기 금속층 상에 포토레지스트를 도포한 후 상기 금속패드(40) 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한 후 식각하여 금속패드(40)를 형성한다.
그 후, 상기 포토레지스트 패턴을 제거한 후, 상기 금속패드(40)가 형성된 절연막 구조물(30) 상에 식각비를 가지는 절연막(50)을 형성한다. 이때 상기 절연막(50)은 질화막(Si3N4)이 사용된다.
그 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 절연막(50) 상으로 소자를 외부의 수분 및 스크레치로 부터 보호하기 위한 보호막(80)을 형성한다. 상기 보호막(80)은 USG막 또는 질화막을 도포하거나, USG막과 질화막의 적층막을 연속적으로 도포하여 형성된다.
여기서 상기 보호막(80)은 제1 보호막(60)으로 USG막이 사용되고 제2 보호막(70)으로 질화막이 사용되었다.
그 다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 보호막(80) 상으로 포토레지스트막을 도포한 후 상기 금속패드(40)의 표면을 노출시키는 패드 오픈부(110)와 상기 절연막 구조물(30)의 표면을 노출시키는 픽셀 오픈부(120)를 형성하기 위한 영역을 정의하는 패터닝 공정을 하여 포토레지스트 패턴(150)을 형성한다.
그 다음, 상기 포토레지스트 패턴(150)을 식각 마스크로 사용하여 상기 제1 보호막(60) 및 제2 보호막(70)을 반응성 이온식각공정(Reactive ion etching)을 이용하여 식각한다. 이때 상기 금속패드(40)가 형성된 절연막 구조물(30) 상에는 질화막이 형성되어 상기 이온식각 공정시 식각정지막으로 사용되기 때문에 상기 제1 및 제2 보호막(60,70)은 식각정지막인 질화막까지 식각되어져 도 7에 도시된 바와 같이 상기 패드 오픈부(110)와 픽셀 오픈부(120)가 동시에 형성되어 진다.
그리고, 상기 픽셀 오픈부(120)에 남아있는 질화막을 선택적으로 제거하면 상기 픽셀 오픈부(120)에 의하여 상기 절연막 구조물(30)의 표면이 선택적으로 노출되어 진다. 이때, 상기 패드 오픈부(110)의 질화막은 제거하지 않고 그대로 남겨놓음으로써, 후속공정의 칼라필터 어레이(90)를 형성할 때 상기 질화막을 금속패드(40)의 부식 방지막으로 사용 할 수 있다.
상기와 같이 보호막 식각공정에 의하여 형성된 상기 패드 오픈부(110)에는 후속공정에 의하여 칼라필터 어레이(90) 및 마이크로 렌즈(100)가 형성되는데, 상기 보호막(80)과 절연막 구조물(30)의 단차 만큼 상기 칼라필터 어레이(90) 및 마이크로 렌즈(100)와 포토다이오드 구조물(20) 까지의 광경로가 짧아져 상기 포토다이오드로 입사되는 빛의 양이 증가된다.
그 다음, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 픽셀 오픈부(120)에 칼라필터 어레이(90) 및 마이크로 렌즈(100)가 형성된다.
상기 칼라필터 어레이(90)는 안료 또는 염료 및 감광물질을 포함하는 포토레지스트 필름을 패터닝하여 형성되며 화소에 대응되도록 형성된다. 상기 칼라필터 어레이(90)를 형성한 후 칼라필터 어레이(90) 상에는 평탄화층(미도시)이 형성될 수도 있다. 평탄화층은 컬러필터에 단차가 형성될 경우 단차를 제거한다.
그리고, 상기 패드 오픈부(110)의 질화막을 제거한다.
이후, 상기 칼라필터 어레이(90)가 형성된 후 각 칼라필터 대응되는 위치에 는 마이크로 렌즈(100)를 형성한다. 상기 마이크로 렌즈(100)는 외부광을 상기 포토다이오드 구조물(20)의 포토다이오드로 광을 집광한다.
여기서, 상기 칼라필터 어레이(90) 및 마이크로 렌즈(100)는 상기 보호막(80) 식각에 의해 픽셀 오픈부(120)인 상기 절연막 구조물(30) 상에 형성되기 때문에, 상기 보호막(80)에 의한 간섭을 받지 않으므로 입사되는 광의 효율을 높일 수 있게 된다. 즉, 상기 포토다이오드 구조물(20)의 상부에 위치하는 보호막(80)의 일정영역이 선택적으로 제거되는 경우, 굴절률이 보호막(80)이 남아있는 영역보다 더 작게 되므로, 상대적으로 빛의 파장은 보호막(80)을 투과하는 경우보다 크게 되어 광 경로를 단축하는 효과가 있으며, 빛의 투과, 흡수, 반사 등에 의해 열화를 줄일 수 있으며, 상기 보호막(8)이 제거되지 않은 부분은 일반적인 보호막(80)의 역할을 하게 된다.
도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 이미지 센서에 의한 감도 측정 결과이다.
도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 블루 파장에서는 종래보다 7.2% 향상된 값을 얻었고, 그린 파장에서는 3.3%, 레드 파장에서는 2.5% 향상된 값의 결과를 얻었다. 이는 상부 보호막으로 사용되는 질화막의 굴절류의 차이로 인한 빛의 반사를 억제하며 또한 질화막의 제거를 통한 축소(shrink) 효과를 주어 광경로(Focal length)가 감소하므로 감도의 개선효과가 나타났다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 이미지 센서 및 그의 제조방법은, 절연막 구조물과 금속패드 상에 식각정지막으로 질화막이 형성되어 보호막 식각에 의해 형성되는 패드 오픈부와 픽셀 오픈부가 동시에 형성되어 공정을 단순화 시킬 수 있으며, 상기 픽셀 오픈부에 의해 절연막 구조물 상에 칼라필터 및 마이크로 렌즈가 형성되어 마이크로 렌즈와 포토다이오드의 거리가 축소(shrink)되는 효과를 주어 광 경로(focal lenth)가 감소되어 감광도(sensitivity)가 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 보호막인 USG막과 질화막을 제거하여 굴절률의 차이로 인한 빛의 반사를 억제하여 감광도의 개선시키는 효과가 있다.
Claims (12)
- 반도체 기판의 액티브 영역에 포토다이오드 구조물 및 절연막 구조물을 포함하는 픽셀 어레이를 형성하는 단계;상기 픽셀 어레이 상에 금속패드를 형성하는 단계;상기 금속패드 상에 절연막을 형성하는 단계;상기 절연막 상으로 보호막을 형성하는 단계;상기 보호막을 식각하여 패드 오픈부와 픽셀 오픈부를 형성하는 단계;상기 절연막을 제거하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 절연막은 질화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 패드 오픈부와 픽셀 오픈부는 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 패드 오픈부와 픽셀 오픈부의 식각은 반응성 이온식각 공정으로 진행되며, 식각정지막은 상기 절연막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조
- 제1항에 있어서,상기 보호막은 USG 및 질화막이 적층된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 픽셀 오픈부에 칼라필터 어레이를 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 칼라필터 어레이 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제1항 또는 제6항에 있어서,상기 칼라필터 어레이 형성시 상기 패드 오픈부의 절연막은 부식방지막으로 사용되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 반도체 기판 상에 형성된 픽셀 어레이;상기 픽셀 어레이 상에 형성된 금속패드;상기 금속패드 상에 형성된 보호막;상기 보호막을 식각하여 형성된 패드 오픈부와 픽셀 오픈부를 포함하는 이미지 센서.
- 제9항에 있어서,상기 보호막은 USG 및 질화막이 적층된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제9항에 있어서,상기 픽셀 오픈부에 형성된 칼라필터 어레이를 더 포함하는 이미지 센서.
- 제11항에 있어서,상기 칼라필터 어레이 상에 형성된 마이크로 렌즈를 더 포함하는 이미지 센서.
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